Metabolismul Glucidelor [PDF]

Zitiervorschau

METABOLISMUL GLUCIDELOR În procesele generatoare de energie din organism metabolismul glucidelor ocupă un loc central, glucidele asigurând cea mai mare parte – peste 50% - din energia necesară desfășurării activității celulare. În deosebi celula nervoasă este dependentă de glucoză ca sursă de energie. În organismele animalelor superioare glucoza poate constitui depozite de energie sub formă de glicogen hepatic sau muscular. La plante acest rol îl îndeplinește cu prioritate amidonul. Animalele fiind organisme heterotrofe își procură glucidele pe cale exogenă, prin alimentație, din regnul vegetal și numai când aportul acestora este insuficient și pe cale endogenă, prin metabolizarea altor substanțe neglucidice, în special a proteinelor. Metabolismul general al glucidelor cuprinde transformări: digestia, absorbția, transportul, depozitarea, metabolismul intermediar și excreția. Digestia glucidelor Glucidele preluate din hrană se găsesc în cea mai mare parte sub formă de oligo-și poliglucide (amidon, celuloză) cu molecule complexe care nu pot fi absorbite direct prin membrana gastrointestinală, ci numai sub formă de monoglucide sau alți metaboliți cu molecule mici; de acea glucidele sunt supuse unor transformări biofizice și biochimice cunoscute sub numele de digestive și care constau ăn principal în scindarea hidrolitică a acestora pe traiectul digestiv, sub acțiunea unor enzime specifice. Digestia glucidelor decurge diferențiat la animalele monogastrice față de poligastrice, la mamifere față de păsări, din care cauză se impune tratarea separată a acestora. Absorbția glucidelor Are loc la nivelul intestinului subțire sub formă de monoglucide și este în strânsă legătură cu o serie de transformări biofizice și biochimice care au loc la acest nivel. Absorbția ozelor poate avea loc și în cavitatea bucală sau stomac, dar numai într-o măsură mai mică. Absorbția intestinală a pentozelor și hexozelor în stare liberă are loc prin difuzie simplă, fizică, fără consum de energie cu viteze ce depind de natura ozei în ordinea: galactoză > fructoză > manoză> xiloză > arabinoză. În general hexozele au o viteză de absorbție mai mare decât pentozele. Într-o măsură mai mică are loc și o absorbția activă a hexozelor care implică fosforilarea lor în celulele intestinale sub acțiunea hexozokinazelor ceea ce mărește viteza lor de absorbție. Acest proces activ necesită un mare consum de ATP, este reglat de hormonii corticosuprarenali și stimulat de unele vitamine din complexul B. Prin fosforilare, hexozele sunt transformate în esteri fosforici, formă sub care sunt absorbite prin peretele intestinal. Transportul și depozitarea glucidelor În urma procesului de absorbție hexozele defosforilate sunt vehiculate împreună cu celelalte oze, sub formă liberă, pe cale sanguină, spre diferite țesuturi și organe, în funcție de nevoile lor energetice sau biosintetice. Principala oză circulantă este glucoza, iar glicogenul este forma de depozitare. În metabolismul glucidelor ficatul are un rol important ca organ de tranzit al acestora între intestin și circulația generală. Ficatul transformă toate ozele în glucoză și lasă să treacă în

circulația sanguină o cantitate mică pentru a asigura o concentrație constantă a acesteia, numită glicemie. Glicemia are valori relativ constante (40-100mg/100ml sânge) la diferite specii de animale. Restul de glucoză este transformată și depozitată sub formă de glicogen. Procesul de biosinteză a glicogenului se numește glicogenogeneză. iar procesul de transformare în glucoză a substanțelor neglucidice se numește gluconeogeneză. La toate aceste transformări, la care se adaugă lipogeneza din glucide, un rol important îl joacă, pe lângă o serie de enzime și următorii hormoni: insulina, glucagonul, adrenalina, hormonii hipofizari și corticosuprarenali. Catabolismul glucidelor Organismul animal preia glucidele sub formă de oze pe care ficatul le transformă în glucoză prin reacții de izomerizare, epimerizare. Glucoza din sânge în stare liberă, circulantă este preluată de către celule și fosforilată sub acțiunea hexokinazei la glucozo-6-fosfat. Esterul 6 fosforic al glucozei reprezintă forma metabolic activă a glucozei fiind componenta de plecare pentru aproape toate transformările glucidelor. Degradarea glucozo-6-fosfatului are loc pe mai multe căi, cele mai importante fiind: - glicoliza, proces anaerob prin care glucoza este degradată la acid lactic; - glicogenoliza, proces de degradare anaerobă a glicogenului la acid lactic; - calea aerobă, la acid piruvic, iar prin intermediul ciclului Krebs și a lanțului respirator cuplat cu fosforilarea oxidativă, până la dioxid de carbon și apă cu eliberarea unei cantități considerabile de energie. Catalismul anaerob al glucidelor. Glicoliza. Glicoliza sau calea metabolică Embden-Meyerhoff-Parnas Reprezintă o cale de degradare anaerobă a glucozei - provenită din glucoză liberă sau glicogen – până la acid lactic. Glicoliza are loc în toate celulele, se desfășoară în 11 etape, fiind catabolizată de enzime specifice solubilizate în citoplasmă. Energia eliberată în cadrul procesului se înmagazinează în moleculele de ATP. În țesutul muscular glicoliza începe de la glicogen, în celelalte țesuturi de la glucoză. Etapele glicolizei 1. Fosforilarea glucozei. Pentru a intra în procesul de glicoliză, glucoza este activată prin fosforilarea sa cu ATP și formarea de glucozo-6-fosfat. Reacția decurge în prezența glucokinazei și a ionilor de Mg2+: CH 2OPO 3

CH 2OH H

OH

H OH H OH OH H OH

ATP ADP hexokinaza glucokinaza

OH

H H OH OH H

OH OH

2-

2. Izomerizarea glucozo-6-fosfatului la esterul fructozo-6-fosfat CH 2OPO 3 OH

H H OH OH H

OH OH

2-

30% aldolaza 70%

HOH 2C CH 2OOPO 32 H OH OH H OH H

3. Fosforilarea ireversibilă a fructozo-6-fosfatului la fructoza-l,6-difosfat

4. Scindarea fructozo – 1,6 – difosfatului cu formarea fosfaților de trioză

5.Interconversia fosfaților de trioză

Dintre cei doi fosfați de trioză, numai aldehida poate fi transformată în reacțiile următoare ale glicolizei; prin scoaterea ei permanentă din sistem, echilibrul reacției se deplasează spre dreapta

până la transformarea totală a dihidroxiacetonfosfatului. Această reacție închie primul stadiu al glicolizei și anume cel al hexozofosfaților, care este consumator de energie. 6. Transformarea aldehidei-3-fosfoglicerice în acid 1,3-difosfogliceric este o reacție de oxidoreducere fosforilantă catalizată de gliceraldehid-3-fosfat dehidrogenaza care are coenzima NAD+:

7. Defosforilarea acidului 1,3-difosfogliceric la acid 3-fosfogliceric în prezența ATP-ului, a fosfoglicerokinazei și a ionilor Mg2+:

În această transformare legătura fosfat macroergică a acidului 1,3 difosfogliceric este cedată unei molecule de ADP cu formare de ATP; se realizează astfel transferul fosfatului din gruparea acil-fosfatică pe molecula de ADP.Cele două etape -6 și 7- sunt strâns legate energetic, astfel că energia degajată în reacția de oxidare nu se eliberează sub formă de căldură, ci este înglobată în legătura macroergică acilfosfat și apoi transferată ADP-ului cu formare de ATP, rezervorul de energie al organismului. 8. Izomerizarea acidului 3-fosfogliceric la acid 2-fosfogliceric sub acțiunea unei fosfogliceromutaze și a unor cantități difosfogliceric, cu rol de coenzimă:

9. Deshidratarea acidului 2-fosfogliceric la acid 2-fosfoenolpiruvic, compus macroergic:

Formarea acidului fosfoenolpiruvic are o deosebită importanță energetică, deoarece acest compus conține o grupare macroergică fosfoenolică provenită dintr-o legătură esterfosforică, fără participarea unei reacții de oxidare din afară. Prin hidroliza acestei legături macroergice se eliberează o cantitate mare de energie (14,8 Kcal/mol). 10. Transformarea acidului 2-fosfoenolpiruvic în acid piruvic sub acțiunea piruvatkinazei:

Prin tautomerizare acidul enolpiruvic trece în acid piruvic:

Piruvatkinaza din mușchi și ficat are rol de reglare și necesită ionii de Mg2+ Mn2+ și K+; ionii de Ca2+ inhibă enzima. Acidul piruvic format în această etapă prezintă importanță deosebită deoarece poate suferi ulterior o serie de transformări chimice a căror natură și direcție depind de condițiile de oxigenare a țesuturilor și de particularitățile specifice ale acestora. Această transformare este de asemenea foarte importantă din punct de vedere energetic și metabolic: transferul fosfatului pe ADP face ca energia legăturii macroergice să fie încorporată în ATP folosit ulterior la fosforilarea glucozei. Acidul piruvic format în această etapă constituie un metabolit important reprezentând punctul de plecare în catabolizarea aerobă a glucozei și

totodată punct de legătură cu metabolismul proteinelor. În condiții de anaerobioză acidul piruvic este convertit la acid lactic. 11. Reducerea acidului piruvic la acid lactic reprezintă ultima etapă a glicolizei catalizată de lactatdehidrogenaza (LDH) care necesită NADH.

Bilanțul energetic al glicolizei, se poate calcula făcând diferența între numărul de ATP rezultați în timpul procesului și numărul de ATP consumați, astfel în etapele de formare a glucozo-6-fosfatului și de formare a fructozo-1,6-difosfatului (etapele 1 și 3) se consumă 2 moli ATP pentru un mol glucoză. În etapele urmĂtoare (7 Și 10) se sintetizează câte l mol ATP pentru o jumătate mol de glucoză, astfel: în etapa a 7 a se sintetizează 1 mol ATP pentru ½ mol glucoză, adică 2 moli ATP pentru 1 mol glucoză (1 mol glucoză se transformă în 2 moli acid 1,3 DPG). În etapa a 10 –a se sintetizează tot 1 mol ATP pentru ½ mol glucoză, ceea ce înseamnă 2 moli ATP pentru l mol glucoză (2 moli acid 1,3 DPG formează 2 moli acid piruvic). Bilanțul energetic este deci de 4 moli de ATP sintetizați -2 moli ATP consumați = 2 moli ATP câștigați pentru 1 mol glucoză catabolizată la acid lactic pe cale glicolitică, în condiții anaerobe: 1 mol glucoză + 2 ADP + 2Pi = 2 moli acid lactic + 2 ATP + 2 H2O.. Energia eliberată prin glicoliză este relativ mică, dar prezintă o importanță deosebită întrucât este asigurată organismului și în absența oxigenului. Din energia chimică produsă în timpul glicolizei, în jur de 30% este înmagazinată în legăturile macroergice din ATP, restul degajându-se sub formă de căldură.

GLICOGENOLIZA În țesutul muscular glicoliza începe de la glicogen; acesta este un α-glucan format din molecule de α - glucopiranoză legate 1,4 și 1,6 - α - glicozidic și reprezintă forma de rezervă în glucoză a organismului animal. Glicogenoliza reprezintă procesul de transformare a glicogenului în acid lactic și are ca scop eliberarea rapidă a rezervei de glucoză în cazul eforturilor fizice. Pentru a intra în secvența glicolitică, sunt necesare mai multe etape, astfel: Fosforoliza glicogenului sub acțiunea acidului fosforic și în prezența fosforilazei, în urma căreia se scindează resturile terminale de glucoză de la capătul nereducător al lanțului cu formare de glucozo -1 fosfat; (glucan)n + H3PO4 = (glucan)n - 1 + G - 1 - P.

În timpul fosforolizei se scindează legătura 1,4 - α - glicozidică de la capătul catenei, iar restul glucozil este transferat pe fosfatul anorganic. În acest proces acționează forma activă a fosforilazei (a) obținută din forma inactivă (b) printr-un proces endergonic de fosforilare cu ATP.

Etapa a doua a glicogenolizei constă în izomerizarea G -1 -P la G - 6 - P sub acțiunea glucofosfomutazei. În continuare G - 6 - P poate fi degradat pe calea glicolizei până la acid lactic sau poate fi defosforilat la glucoză. Bilanțul energetic al glicogenolizei este de 3 moli ATP, deoarece față de glicoliză, se consumă numai un mol de ATP (este exclusă fosforilarea glucozei, deci din cei 4 moli sintetizați se va scădea 1 mol consumat) această energie este de mare importanță deoarece unele celule cum ar fi eritrocitele își procură numai pe această cale energia necesară. Catabolizarea aerobă a glucozei. Prin degradarea glicolitică, în condiții anaerobe, glucoza este transformată în acid lactic. În condiții aerobe, deci în cazul unui raport îndestulător de oxigen, etapa ultimă a glicolizei formarea acidului lactic nu mai are loc deoarece coenzima NADH + H+ nu mai transferă hidrogenul și electronii acidului piruvic ci prin lanțul de oxidoreducere (respirator) îi transferă oxigenului cu formare de apă. Acidul piruvic format în citoplasmă trece în mitocondrie, unde urmează două căi de metabolizare: decarboxilarea oxidativă cu formarea acidului acetic activat (acetil coenzima A); carboxilarea cu obținerea acidului oxalilacetic. Decarboxilarea oxidativă a acidului piruvic este un proces complex, ireversibil, în mai multe etape catalizate de un complex multienzimatic- piruvat dehidrogenaza, care implică următorii factori: CoA, NAD+, acid lipoic, FAD, tiaminpirofosfat (TPP) și Mg2+. Reacția global catalizată de acest sistem este următoarea: +

+

CH3 – CO – COOH + NAD + HSCoA = CH3CO – SCoA + NADH + H + CO2 Carboxilarea acidului piruvic. Dioxidul de carbon asimilat de organismele animale produce carboxilarea acidului piruvic cu formare de acid oxalilacetic. Reacția este catalizatș de piruvatcarboxilaza și necesită prezența biotinenzimei drept coenzimă: CH3 – CO – COOH + CO2 HOOC – CO – CH2 – COOH

Alte căi de degradare ale glucidelor Calea pentozo-fosfaților (Șuntul pentozo-fosfaților) Calea pentozo-fosfaților reprezintă o cale de degradare anaerobă oxidativă a glucozei, fiind o cale suntată care ocolește o serie de etape ale glicolizei. Această cale este dependent de glicoliză, unii intermediari ai acesteia participând la glicoliză. Procesul are loc cu prioritate în ficat, țesutul adipos, glanda mamară în lactație, eritrocite, în prezența enzimelor amplasate în faza solubilă a citoplasmei. Pe această cale secundară de degradare este transformată aproximativ 10-30% din cantitatea de glucoză. Calea pentozo-fosfaților cuprinde două etape: -sinteza pentozelor din hexoze; -sinteza hexozelor din pentoze. Sinteza pentozelor din hexoze se realizează printr-o succesiune de reacții în care glucozo-6-fosfatul este dehidrogenat și decarboxilat la ribulozo-5-fosfat sub acțiunea unor enzime specifice, NADP-dependente, astfel: dehidrogenarea glucozo-6-fosfatului la lactona acidului 6-fosfogluconic este inițiată de glucozo-6-fosfat dehidrogenaza (GPDH) cu NADP drept coenzimă, ca acceptor de hidrogen și electroni. 6-P-glucolactona este hidrolizată de către glucono lactonază la acid 6-P-gluconic:

Sinteza hexozelor din pentoze În celule ribozo-5-fosfatul este transformat parțial în hexozo-fosfați prin reacții de transcetoliză și transaldoliză catalizate de transcetolaze și transaldolaze. a). Transcetolaza catalizează transferul unei grupări C2 glicol-aldehidice (CH2OH-CO-) de la xilulozo-5-fosfat la ribozo-5-fosfat cu formare de sedoheptulozo –7-fosfat și gliceraldehid-3fosfat, prin care se face legătura cu secvența glicolitică:

Coenzima transcetolazei este tiaminpirofosfatul (TPP) care leagă și transferă cei doi carboni. b). Cei doi produși formați intră în reacția catalizată de transaldolază care transferă o grupare de dihidroxiacetonă (3 C) de la sedoheptulozo-7-fosfat la gliceraldehid-3-fosfat:

Glicogenogeneza și Glicogenoneogeneza Glicogenogeneza este procesul de sinteză a glicogenului din monozaharide ca glucoza, fructoza, manoza, galactoza. Glucida de plecare în sinteza glicogenului fiind numai glucoza , celelalte glucide sunt mai întâi transformate sub acțiunea unei izomeraze specifice în această glucidă, sub formă de ester glucozo-6-fosforic. Acest ester este transformat apoi de o fosfomutază în esterul glucozo-1-fosforic care se condensează, în cele din urmă, prin legături de tip 1,4 - α - glicozidice, formând glicogenul.

Ramificarea specifică a moleculei de glicogen la C6 se face prin legături 1,6-glicozidice sub acțiunea unei enzime, numită transglicozilază sau enzimă de ramificare. Reacțiile care au loc la formarea glicogenului pot fi reprezentate schematic astfel:

Biosinteza oligo- și poliglucidelor Biosinteza oligo- și poliglucidelor în organismul animal se realizează printr-un proces de transglicolizare la care monoglucidele componente participă sub formă activată. Activarea se realizează în majoritatea cazurilor cu acid uridin trifosforic (UTP). Pentru organismul animal prezintă interes biosinteza lactozei și a glicogenului. Biosinteza acestora are ca punct de plecare esterul glucozo-1-fosfat care este activat cu ajutorul UTP sub formă de uridinfosfat-glucoză (UDP-glucoză). Biosinteza lactozei Lactoza se sintetizează în glanda mamară din glucoza sanguină, conform următorului mecanism:

Reglarea metabolismului glucidelor Reglarea glicemiei se face prin: -mecanisme de reglare prin acțiune hipoglicemiantă -mecanisme de reglare prin acțiune hiperglicemiantă. Reglarea prin ac]iune hipoglicemiantă are loc mai ales prin insulină, hormon secretat de pancreas. Acest hormon își exercită acțiunea sa hipoglicemiantă prin: -creșterea consumului de glucoză în mușchi; -stimularea transforării glucozei din sânge în glicogen hepatic și muscular; -inhibarea transformării glicogenului hepatic în glucoză sanguină; -suprimarea gluconeogenezei; -stimularea biosintezei lipidelor din glucoză. Tot în acest grup de reglare prin acțiune hipoglicemiantă se poate include și eliminarea glucozei în urină când glicemia depășește pragul renal de eliminare. Reglarea prin acțiune hiperglicemiantă are loc prin factori care exercită o acțiune antagonistă față de cea a factorilor hipoglicemianți, dar care acționează asupra acelorași sisteme. Acești factori acționează prin: -stimularea glicogenolizei hepatice care are drept urmare o deversare masivă de glucoză în sânge, ducând deci la o creștere a glicemiei; -stimularea glicogenolizei musculare care duce la o creștere a acidului lactic în țesutul muscular. Acest acid nu poate fi transformat de musculatură în glucoză, dar ajuns pe cale sanguină în ficat este și el rapid transformat în glucoză, contribuind astfel la creșterea glicemiei, reducerea sau chiar inhibarea folosirii glucozei în țesuturi. Dintre acești factori cu acțiune hiperglicemiantă fac parte mai ales hormonii adrenalina, glucagonul, precum și hormonii antehipofizari și glicocorticosteroizi. Diabetul zaharat se caracteriează printr-o creștere anormală a glucozei din sânge (hiperglicemie) și este provocat de o hipofuncție insulinică care se poate datora , fie unei insificiente secreții insulinice, fie unei anihilări a acțiunii insulinei, chiar în condițiile unei secreții normale a acestui hormon. Simptomele grave ale diabetului sunt provocate de așa numiții corpii cetonici. Aceștia fac parte din clasa cetonelor și sunt derivați ai acidului butiric (acid cetobutiric și hidroxibutiric) care pot provoca o hiperacidulare a sângelui (acidoză). Aceasta duce în cazuri grave la pierderea cunoștinței (comă diabetică) și în cele din urmă la moarte